DNA polimerasa (enzima): características y funciones

Solemos intentar siempre encontrarle el sentido a la vida, fallando normalmente en este intento. Pero los biólogos saben que si tiramos hasta lo más primitivo, la vida tiene su sentido en un punto clave: el material genético tiene la capacidad de replicarse.

El ADN es nuestro material genético. En estas largas cadenas de nucleótidos (a lo largo de este artículo lo analizaremos en profundidad) está toda la información que cada una de las células de nuestro organismo necesitan para mantenerse vivas y desarrollar sus funciones. Por lo tanto, en este ADN está escrito todo lo que somos y todo lo que podemos llegar a ser.

Pero, ¿de qué serviría esto sin un mecanismo que permitiera la generación de nuevas copias? Absolutamente de nada. La vida es posible porque este material genético tiene la increíble capacidad de replicarse, generando nuevas cadenas de ADN a partir de una molde. Y esto no solo hace posible que nuestras células se renueven y se dividan, también ha sido imprescindible para la evolución de las especies y la consolidación de la vida en la Tierra. Sin una manera de hacer copias, el ADN no sirve.

Pero este proceso de replicación del material genético no sucede por arte de magia. Y como todo lo que tiene que ver con procesos químicos que tienen lugar en el interior de la célula, está mediado por enzimas, es decir, moléculas que catalizan las reacciones bioquímicas. Hoy nos centraremos en la DNA polimerasa, la enzima que permite la replicación del ADN.

¿Qué entendemos por material genético?

Antes de analizar cuál es la enzima que permite su replicación, debemos entender qué es exactamente el ADN, porque sabemos que conforma nuestro material genético, pero más allá de esto, nos genera muchas dudas. Y ahora intentaremos, teniendo en cuenta que es un tema muy complejo, sintetizarlo al máximo para que sea comprensible.

Para empezar, debemos irnos a la parte más interna de la célula: el núcleo. Sabemos que toda célula está compuesta por, desde la parte más exterior hasta la más interior, una membrana plasmática que sirve de frontera con el exterior, un citoplasma en el que se encuentran todos los orgánulos (estructuras que dan funcionalidad a la célula) y moléculas necesarias que conforma un medio líquido y una membrana nuclear que delimita lo que se conoce como núcleo.

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Este núcleo celular es la parte más interna de la célula (pensemos en la Tierra y su núcleo) y tiene el único objetivo de almacenar el ADN. Nuestro material genético, es decir, aquello donde está escrito todo lo que somos (y podemos ser) está guardado “bajo llave” en el núcleo de nuestras células.

Y un aspecto clave que a veces resulta impactante es que todas y cada una de nuestras células tienen el mismo ADN. Cada célula, tiene todo nuestro ADN. Y decimos que esto es impactante porque una célula de la epidermis del pie tiene también la información propia de las neuronas del cerebro. Pero la clave está en que la célula, dependiendo de qué tipo sea, sintetiza solo los genes que necesita. En otras palabras, a pesar de que todas tienen el mismo ADN, la expresión selectiva de genes permite la diferenciación celular.

Porque el ADN es, básicamente, un conjunto de genes que son “leídos” por distintas enzimas, las cuales, dependiendo de la información que reciban, sintetizarán unas proteínas y moléculas determinadas, que son las que determinarán nuestra anatomía y fisiología. En los genes (y, por lo tanto, en el ADN) está toda la información que necesitamos para vivir y funcionar.

¿Qué es la doble cadena de ADN?

Pero, ¿qué es exactamente el ADN? Para entenderlo, vamos a ir presentando, poco a poco, los siguientes conceptos: ácido nucleico, gen, nucleótido y doble cadena. Empecemos.

El ADN, que son las siglas de ácido desoxirribonucleico, es un tipo de ácido nucleico. En la naturaleza básicamente hay de dos tipos, que se diferencian en función de cómo son los nucleótidos que los conforman (más adelante veremos qué son estos nucleótidos): ADN y ARN. El ADN es el ácido nucleico que porta la información genética, mientras que el ARN es el ácido nucleico que la mayoría de organismos (nosotros incluidos) utilizamos para la síntesis de proteínas, aunque los seres vivos más primitivos también lo utilizan como material genético en sí.

Sea como sea, este ácido nucleico es, en esencia, una sucesión de genes. Los genes son porciones del ADN que llevan la información para un proceso concreto del cuerpo. Relacionándose entre sí y siendo leídos por las enzimas que los traducen a proteínas, los genes son las unidades funcionales del ADN, pues determinan cualquier aspecto de nuestra anatomía y fisiología, desde procesos internos de la célula hasta características observables como el color de ojos, entre miles de aspectos físicos, metabólicos, emocionales y hormonales más.

Estos genes, a su vez, están formados por cadenas de nucleótidos. Y aquí nos detenemos un momento. Los nucleótidos son las unidades más pequeñas del ADN. De hecho, el ADN es “simplemente” una sucesión de nucleótidos. Pero, ¿qué son? Los nucleótidos son las moléculas que, al juntarse entre ellas, portan toda la información genética.

Son moléculas formadas por un azúcar (en el ADN es una desoxirribosa y en el ARN, una ribosa), una base nitrogenada (que puede ser adenina, guanina, citosina o timina) y un grupo fosfato. La clave del nucleótido es la base nitrogenada, pues dependiendo de la serie que haya, las enzimas que leen el ADN darán una proteína u otra.

Es decir, la información de absolutamente todo lo que somos depende de la combinación de solo cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y timina. No hace falta nada más para que los genes se expresen. Aunque quizás sí que necesita algo. Y aquí entramos en el último concepto: la doble cadena de ADN.

Estos nucleótidos, gracias al grupo fosfato, se unen entre ellos para dar lugar a una cadena larga de nucleótidos. Y podríamos pensar que el ADN es esto: un polímero largo que forma algo así como un collar de nucleótidos que dan lugar a “packs” que son los genes. Pero estaríamos equivocados.

Y es que la clave de la vida radica en que el ADN no está formado por una simple cadena, sino por una doble, formando una hélice. Esto significa que el ADN consiste en una cadena de nucleótidos que está unida a una segunda cadena complementaria. Y por complementaria entendemos que, si imaginamos que en una de las cadenas hay una guanina, en la de “al lado” habrá una timina. Y si hay una guanina, en la otra habrá una guanina. Siempre siguen esta relación: adenina-timina y guanina-citosina.

De este modo, tenemos dos cadenas unidas entre ellas formando una doble hélice en la que cada una es el “espejo” de la otra. En resumen, el ADN es una doble cadena de nucleótidos que, en función de cómo sea la sucesión de bases nitrogenadas, dará lugar a una serie de genes determinada.

Y en términos de biología, estas cadenas se conocen como hebras. Y hay dos. Una que está en dirección 5’-3’ y otra en dirección 3’-5’. Esto simplemente se refiere a la orientación de los nucleótidos que forman la cadena. Aunque no es en absoluto lo mismo, para entenderlo podríamos considerar que en la hebra 5’-3’, los nucleótidos miran hacia arriba, y en la de 3’-5’, miran hacia abajo.

Repetimos: esta comparación no es nada científica, pero nos vale para entender la diferencia. Lo importante es tener en cuenta que cada cadena va en un sentido distinto y que cuando es el momento de replicarse, es decir, hacer copias del ADN (sucede constantemente para dividir las células), estas dos hebras se separan, es decir, rompen sus enlaces. Y aquí es donde entra en juego, por fin, la DNA polimerasa.

La replicación y la DNA polimerasa

El proceso de replicación del ADN es uno de los fenómenos biológicos más increíbles de la naturaleza. Y lo es porque hay una enzima que se encarga de que lo sea. Y es que la DNA polimerasa es la enzima con la función de hacer copias de las dos cadenas de ADN de la célula, las cuales, recordemos, se han separado.

Cada una sirve como molde para generar una cadena nueva. De este modo, después de “pasar por sus manos”, habrá dos moléculas de ADN (dos dobles cadenas). Y cada una de estas, tendrá una hebra “vieja” y otra de “nueva”. Pero este proceso debe ser muy rápido y a la vez efectivo, pues la información genética debe mantenerse intacta durante la división de la célula.

Y en términos de eficacia, pocas cosas superan a la DNA polimerasa. Esta enzima sintetiza una nueva cadena de ADN a partir de la molde a una velocidad de 700 nucleótidos por segundo (recordemos que la cadena de ADN es básicamente un polímero, es decir, una sucesión de nucleótidos) y solo se equivoca en 1 de cada 10.000.000.000 nucleótidos. Es decir, por cada vez que pone un nucleótido que no es, ha puesto 10.000.000.000 de correctos. No hay ninguna máquina ni ordenador con un margen de error tan bajo.

Pero, por irónico que parezca, es precisamente este 1 de cada 10.000.000.000 lo que ha permitido la evolución de las especies. Y es que cuando la DNA polimerasa se equivoca, es decir, pone un nucleótido que no toca (por ejemplo, una guanina donde tendría que ir una adenina), da lugar a un gen ligeramente diferente. Normalmente, esto no afecta a la proteína para la que codifica, pero hay veces en las que sí que puede tener impacto.

Y cuando hay un cambio en el gen, lo más normal es que dé lugar a una proteína disfuncional. Pero en un pequeño porcentaje de los casos, este fallo de la DNA polimerasa hace que el organismo portador de la mutación se adapte mejor al medio, por lo que ese “error” irá pasando de generación en generación. Si hemos pasado de bacterias unicelulares hasta la aparición del ser humano es porque la DNA polimerasa se equivoca. Si fuera perfecta, no habría evolución.

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Pero, ¿cómo funciona la DNA polimerasa? Cuando es el momento de replicar el material genético y las dos cadenas de ADN se separan, a la zona llegan estas enzimas, que se unen a los nucleótidos de la cadena de ADN.

Esta enzima funciona básicamente capturando del medio los conocidos como desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTP), unas moléculas que sintetiza la célula y que serían como los tabiques para construir una casa, que en este caso es una cadena de ADN nueva.

Sea como sea, lo que hace esta enzima es leer qué base nitrogenada hay en la cadena molde y, dependiendo de lo que haya, añade un dNTP u otro en el extremo 3’ de la cadena. Por ejemplo, si ve que hay una adenina, añadirá en la nueva cadena una timina. Mediante los enlaces, la DNA polimerasa va sintetizando una nueva cadena complementaria a la molde. Cuando ha terminado, se vuelve a obtener una doble hélice.

Decíamos que era importante la diferenciación en 5’-3’ y 3’-5’ porque la DNA polimerasa solo es capaz de sintetizar la hebra de ADN en dirección 5’-3’. Por lo tanto, con una de las dos cadenas que tiene que sintetizar no hay ningún problema, pues lo hace de forma continua.

Pero para la otra (la que necesitaría ser sintetizada en dirección 3’-5’), tiene que hacerlo de forma discontinua. Esto, sin entrar demasiado en profundidad, significa que la síntesis ocurre en la dirección normal de la DNA polimerasa (de 5’ a 3’), pero al hacerlo “al revés”, se forman unos fragmentos (conocidos como fragmentos de Okazaki) que luego son unidos sin mayores complicaciones por otra enzima: la ligasa. El proceso es más complicado pero no sucede de forma más lenta.

Otro aspecto importante de la DNA polimerasa es que no puede empezar a sintetizar una nueva cadena “de la nada”. Necesita lo que se conoce como cebador o, en inglés, primer. Este cebador consiste en unos pocos nucleótidos que constituyen el principio de la nueva cadena y que se mantienen intactos después de la separación de las dos cadenas.

Pese a ser un fragmento “viejo”, no importa, pues son solo unos pequeños nucleótidos que le dan a la DNA polimerasa un sustrato al que unirse y empezar así la síntesis de la nueva cadena. Como hemos dicho, la molécula nueva de ADN consta de una hebra vieja y una de nueva. Esto hace que la replicación del ADN reciba el nombre de semiconservativa, pues siempre se mantiene una cadena de la generación anterior.

Referencias bibliográficas

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